什么是虚拟化技术

成本是永恒的话题。

虚拟化的目标也是降低成本，体现为对IT资源的充分利用。

一、虚拟化发展脉络

20世纪50~70年代，大型机应用广泛。但也比较贵，如何节省成本成为考虑的因素。一种简单的想法，多个终端用户能够共享同一大型机。

从时间的角度来考虑，就是将CPU时间划分成非常小的时间片，每个时间片执行不同用户的工作任务，并通过轮询的方式进行调度。这样，表面上不同用户的任务在同一硬件资源上都得到了执行，本质上是后台是“分时共享”大型机。20世纪60年代，IBM在其System/360中实现了该分时系统，并在System/370正式命名为虚拟机。

20世纪80年代，硬件成本降低，虚拟化技术逐步被放弃。

20世纪90年代，Win-Intel联盟、Linux操作系统的发展，x86服务器架构应用广泛，成为服务器硬件设施的主流。但X86计算机架构，最早着眼于性能要求不高的场景，没有考虑对虚拟化技术的支持。

人们在使用x86服务器时，为了满足业务的需求，通常会对业务流程进行压测，得到业务所需的x86服务器配置，这种配置往往采用按照业务最高的要求。这样，在日常运行中，就会导致服务器的CPU利用率比较低，处于10%~30%之间，也就是服务器资源没有得到充分利用。

随后，各个公司推出了各种虚拟化解决方案：

• VMware将虚拟化技术引入到x86服务器中，发布了ESX产品。
• Xen虚拟化平台由剑桥大学研究，成为开源虚拟化资源的代表。
• 微软推出Hyper-V。
• Intel硬件虚拟化VT-x方案。

二、虚拟化概念与架构

虚拟化是什么？

IBM公司给出的定义比较有代表性：“虚拟化是资源的逻辑表示，它不受物理限制的约束。”

简单地说，就将X86服务器硬件资源进行抽象，在其上构建一台台虚拟机。虚拟机与X86服务器没有什么不同，可以安装操作系统，部署用户APP并运行。

那么，如何实现虚拟化呢？

在硬件资源和虚拟机之间，需要有一个抽象层，向下对硬件进行抽象，向上提供人虚拟机，并确保这些虚拟机之间是独立且隔离的。这个抽象层称为虚拟机监控器（Virtual Machine Monitor，VMM）。

通常情况下，将X86服务器上的操作系统称为Host OS（宿主），将虚拟机的操作系统称为Guest OS（客户）。

根据VMM是否直接部署在硬件上，又分为宿主型、裸机型和混合型。

• 宿主型：硬件资源仍由Host OS来管理，VMM是OS的内核，体现为一个进程。
• 裸机型：VMM直接部署并运行在硬件上。
• 混合型：宿主型和裸机型的融合。

根据虚拟的资源类型来划分，虚拟化又可以分为计算虚拟化、存储虚拟化和网络虚拟化。

三、实现机制

前面提到，X86架构在初始设计时，并未考虑虚拟化的情况。这意味着后续硬件支持虚拟化时，必然采用打补丁的方式。

这里仅讨论CPU虚拟化。

在x86架构的CPU指令集中，有Ring0、Ring2、Ring2、Ring3四个状态，其中，Ring0权限最高，操作系统拥有此权限，能够直接管控所有资源。Ring3权限最低，应用程序拥有此权限。应用程序可以访问自己权限内的硬件资源，不能访问Ring0权限内的硬件资源。

从运行态上来看，虚拟机是x86服务器上的进程，拥有Ring3权限。不具有Host OS的Ring0权限，无法访问整个硬件资源，此时如果直接访问，则会被Host OS捕捉到并触发异常，弹出警告窗口。

那么，如何才能Guest OS拥有Ring0权限呢？从x86架构的原始设计来看，不可能。

退一步，让Guest OS自认为的拥有Ring0权限。这就需要底层VMM或者硬件做到“Guest OS自认为的权限”，以此来欺骗Guest OS。

先来看看VMM如何做？

一种方法是将欺骗进行到底。

Guest OS不做任何修改，依然是那个追风少年，VMM依然变成一个保姆，有求必应。但VMM也是有策略的：

针对一些不敏感的指令，VMM直接进行“翻译”，调用Host OS，为Guest OS模拟出它所需要的包括CPU、磁盘、内存、网卡、显卡等抽象硬件资源。

针对一些敏感指令，如reboot，VMM考虑到会影响整个x86服务器，则将进行“模拟”，转换为只针对特定Guest OS 的reboot指令。

另一种是认清现实，就是一个虚拟机。

告知Guest OS一些细节，Guest OS自身做一些调整，修改指令集中的敏感指令和核心态指令，使得Host OS能够判断出是谁要访问硬件资源，从而提供相应的硬件抽象。

再来看看，硬件如何做？

原来x86架构包含4个权限的指令集，现在打补丁。引入VMX新模式：也就是Virtual Machine eXtension，包括根操作模式（VMX Root Operation）和非根操作模式（VMX Non-Root Operation）。

VMM运行在根操作模式，Guest OS运行在非根操作模式，具有Ring 0权限，可直接访问硬件资源，同时，对于reboot等敏感指令，则由硬件辅助，直接切换到 VMM 执行，转换为只针对特定Guest OS 的指令。

这就是Intel的VT-x方案基本思想。

四、实现技术

虚拟化有很多实现技术，如KVM、Xen、VMware、Virtual Box、Hyper-V 等，这里仅介绍KVM。

KVM（Kernal-based Virtual Machine）是基于Linux内核的开源虚拟化方案。KVM提供CPU虚拟化、内存虚拟化，而I/O部分，则借助于QEMU实现（ QEMU早于KVM ）。

KVM虚拟化方案使用的是VT-x的VMX模式。其技术架构如下：

五、工具

针对众多的虚拟化实现技术，云计算IaaS平台通常采用兼容并包的策略，为了简化处理，引入了中间适配层：libvirt。libvirt支持界面和CLI命令行的方式，如virsh、virt-manager。

事实上，现有的云计算框架平台使用了libvirt的API 来管理虚拟机，如 OpenStack。